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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest näherungsweisen Ermittlung
eines Vorspanndrucks eines hydropneumatischen Speichers.
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In
einem hydropneumatischen Druckspeicher wird zur Speicherung potentieller
hydraulischer Energie eine Flüssigkeit in den Druckspeicher
gegen einen vorhandenen Gegendruck gefördert und unter Druck
gespeichert. Den Gegendruck liefert ein mit einem Gas gefülltes
Gasvolumen im Druckspeicher. Das Gasvolumen und das Flüssigkeitsvolumen
sind dabei durch ein Trennelement getrennt. Somit ist sichergestellt,
dass Gas und Flüssigkeit sich nicht vermischen. Das Gas
wird durch die in den Druckspeicher geförderte Hydraulikflüssigkeit
komprimiert. Die so im hohen Gasdruck gespeicherte potentielle Energie
steht dann zu späteren Zeitpunkten wieder zur Verfügung.
Bevor das Gas durch die Flüssigkeit komprimiert wird, steht
es bereits unter einem als Vorspanndruck bezeichneten Anfangsdruck.
Dieser Vorspanndruck bestimmt zusammen mit dem Druckspeichervolumen
die Energiespeicherkapazität des Druckspeichers. Durch
Entweichen des Gases aus dem Gasspeichervolumen, über z.
B. undichte Stellen, sinkt der Vorspanndruck des Druckspeichers
und somit letztlich auch dessen Energiespeicherkapazität ab.
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Zur
Messung des Vorspanndrucks offenbart die Druckschrift
DE 10 2004 055 249 A1 einen
Sensorikeinsatz innerhalb des Druckspeichers. Dabei ist in einer Öffnung
des Gehäuses des Druckspeichers ein Hochfrequenzresonator
eingesetzt, welcher die Druckänderung des Gasvolumens über
eine Permissivitätsänderung des Gases misst. Eine
Messung der Druckänderung im Gasvolumen setzt einen Einsatz von
Sensorik im Gasvolumen voraus, welche fest im Druckspeicher ausgebildet
ist. Die Druckschrift erwähnt darüber hinaus den
Einsatz bekannter Einrichtungen für die Messung absoluter
Drücke, welche mit dem Druckspeicher zusammenwirken und
sich in diesem befinden. Z. B. sind ein Manometereinsatz an einem
Pneumatikventil des Druckspeichers und der Einsatz von Temperatursensoren
im Gasraum bekannt. Ein integrierter Sensorikeinsatz in dem Druckspeicher
hat jedoch den Nachteil, dass der Druckspeicher dazu nötige
Strukturen aufweisen muss und somit aufwändiger und kostenaufwändiger
herzustellen ist. Das Ersetzen eines Druckspeichers durch einen
neuen ist für den Anwender kostspielig. Darüber hinaus
ist es weiterhin nachteilig für den Anwender, wenn er auf
Druckspeicher mit eingebauter Sensorik angewiesen ist, da die Betriebsicherheits-
und Betriebsqualitätsvorteile auf Basis von Gasdruck- bzw. Gasdruckänderungskontrollen
im Druckspeicher lediglich unter hohem technischen Aufwand zu erzielen sind
und die Auswahl an verwendbaren Druckspeichern gering ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung
des Vorspanndrucks eines hydropneumatischen Speichers zu schaffen, welches
eine freie Auswahl von hydropneumatischen Druckspeichern zur Nutzung
in hydraulischen Systemen erlaubt.
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Die
Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Messen
von zumindest einem Druckwert einer Flüssigkeit, welche
sich in einem Flüssigkeitsspeichervolumen eines hydropneumatischen
Druckspeichers befindet, und das Ermitteln eines Vorspanndrucks
eines Gasspeichervolumens des hydropneumatischen Druckspeichers
aus dem zumindest einen gemessenen Druckwert. Die Messung des Druckwerts
der in einem Flüssigkeitsspeichervolumen befindlichen Flüssigkeit
muss dabei nicht in dem Druckspeicher selbst erfolgen. Sie kann
vielmehr an beliebiger Stelle des diese Flüssigkeit umfassenden
Flüssigkeitsvolumens durchgeführt werden. Z. B.
wird dieser Druck vorzugsweise in einer hydraulischen Verbindungsleitung
gemessen, an der der Druckspeicher angeschlossen ist. Ein Sensorikeinsatz
innerhalb des Druckspeichers ist somit nicht nötig. Der Vorspanndruck
des Druckspeichers kann direkt gemessen werden, wenn Gas- und Flüssigkeitsvolumen
im Druckspeicher im Druckgleichgewicht stehen und beide Drücke
jeweils gleich dem Vorspanndruck sind.
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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In
der Regel sind die hydropneumatischen Druckspeicher, nachfolgend
vereinfachend als Druckspeicher bezeichnet, hydraulischer Systeme bei
abgeschaltetem hydraulischem System hydraulisch entlastet und das
Gasspeichervolumen erreicht ein durch konstruktive Grenzen vorgegebenes
maximales Volumen. In diesem Zustand ist der Druck in dem Flüssigkeitsvolumen
nicht in einem Gleichgewicht mit dem Druck des Gasspeichervolumens.
Erst bei Inbetriebnahme des hydraulischen Systems wird der Druckspeicher
mit Flüssigkeit befüllt. Während der
Druckspeicher mit Flüssigkeit gegen den Gasdruck innerhalb
des Druckspeichers befüllt wird, steigt der Flüssigkeitsdruck
in dem Flüssigkeitsspeichervolumen. Der Druckanstieg hat
dabei zu Beginn des Füllvorgangs einen zumindest näherungsweise linearen
ersten Druckanstieg in einem ersten Druckanstiegbereich. Auf diesen
folgt ein zumindest näherungsweise linearer zweiter Druckanstieg
in einem zweiten Druckanstiegbereich. In einem dritten Druckanstiegbereich
wiederum folgt ein zumindest anfänglich näherungsweise
linearer dritter flacher Druckanstieg. Im ersten Druckanstiegbereich
ist der Flüssigkeitsdruck im Druckspeicher wesentlich geringer
als der Vorspanndruck im Gasspeicher. Im Zuge des zweiten Druckanstiegs
nähert sich der Flüssigkeitsdruck im Druckspeicher
rapide dem Vorspanndruck des Gasspeichers an. Während des
dritten Anstiegs sind der Flüssigkeitsdruck und der Gasdruck im
Druckspeicher einander gleich und jeweils höher oder zumindest
nicht geringer als der Vorspanndruck. Erst in diesem Bereich führt
eine weitere Zufuhr von Druckmittel zu einer Druckerhöhung
in dem Gasspeichervolumen bei gleichzeitiger Volumenreduzierung
des Gasspeichervolumens.
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Beim
Ausschalten des Systems werden die Druckspeicher hydraulischer Systeme
aus Sicherheitsgründen hydraulisch entlastet. Dazu wird
das Flüssigkeitsspeichervolumen des Druckspeichers entleert.
Während des Entleervorgangs sinkt der Flüssigkeitsdruck
in dem Flüssigkeitsspeichervolumen und damit auch der Verbindungsleitung.
Zu Beginn des Entleervorgangs sind der Gasdruck und der Flüssigkeitsdruck
im Druckspeicher gleich groß und höher als der
Vorspanndruck. Der Flüssigkeitsdruck nimmt ab und weist
zumindest im Druckbereich nahe dem Vorspanndruck einen zumindest
näherungsweise linearen ersten Druckabfall in einem ersten
Druckabfallbereich auf. Auf diesen folgt ein zumindest näherungsweise
linearer rapider zweiter Druckabfall in einem zweiten Druckabfallbereich,
wenn eine weitere Expansion des Gasspeichervolumens wegen der konstruktiven
Grenzen nicht möglich ist. In einem dritten Druckfallbereich
folgt ein zumindest näherungsweise linearer flacher dritter
Druckabfall. Im ersten Druckabfallbereich sind Gasdruck und Flüssigkeitsdruck
einander gleich und jeweils höher als der Vorspanndruck.
Im zweiten Druckabfallbereich liegt der Flüssigkeitsdruck
bereits unterhalb des Gas- und Vorspanndrucks, da eine weitere Ausdehnung des
Gasspeichervolumens nicht möglich ist, und sinkt rapide
ab. Im dritten Druckabfallbereich sinkt der Flüssigkeitsdruck
nur noch langsam ab.
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Während
des Betriebs des den Druckspeicher nutzenden Systems wird Flüssigkeit
in den Druckspeicher gefördert oder aus diesem entnommen.
Dabei ändert sich der Gasdruck des Druckspeichers entsprechend
dem im Druckspeicher befindlichen Flüssigkeitsvolumen.
Bei Zunahme des Gasdrucks im Druckspeicher durch Befüllen
des Druckspeichers mit Flüssigkeit, wird die potentielle
Energie des Speichers erhöht. Die gespeicherte Energie
wird zurückgewonnen, indem das Gasvolumen sich ausdehnt
und dabei Flüssigkeit aus dem Gasspeicher verdrängt.
Die zurückgewonnene Energie steht dem hydraulischen System
wieder z. B. zum Antrieb eines hydraulischen Verbrauchers zur Verfügung.
Während des Energieaustauschs sind Gasdruck und Flüssigkeitsdruck
im Druckspeicher gleich. Es herrscht Druckgleichgewicht. Dieser
Druck wird im Folgenden vereinfachend als Speicherdruck bezeichnet.
Aus der Änderung des Speicherdrucks in Abhängigkeit von
der Änderung des Flüssigkeitsvolumens im Druckspeicher
lässt sich für vorgegebene Temperaturen jeweils
der entsprechende Vorspanndruck des Druckspeichers ermitteln.
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Zur
Ermittlung des Vorspanndrucks ist es von Vorteil zumindest einen
Vorspanndruckwert zu verwenden, welcher zumindest näherungsweise gleich
dem Vorspanndruck ist. Der Vorspanndruck kann mit dem Vorspanndruckwert
oder, z. B. zur Korrektur, mit einem mit einem Faktor multiplizierten
Vorspanndruckwert gleichgesetzt werden. Der Korrekturfaktor kann
Einflüsse wie die Temperatur oder einen Druckabfall in
der Leitung zwischen dem Speicher und dem Messpunkt zur Druckmessung
in der Verbindungsleitung berücksichtigen.
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Der
Vorspanndruck kann dabei mit einem Vorspandruckwert gleichgesetzt
oder aus zumindest einem Vorspanndruckwert errechnet werden. Wird der
Vorspanndruck mit einem Vorspanndruckwert gleichgesetzt, so besteht
der Vorteil in einem nur geringen Bedarf an Vorspanndruckwerten
und somit in einem nur geringen Bedarf an Druckmessungen. Errechnet
man hingegen den Vorspanndruck aus mehreren Vorspanndruckwerten,
so liegt dem Vorspandruck eine größere Basis an
Vorspanndruckwerten bzw. Druckmessungen zugrunde. Durch die größere zugrunde
gelegte Statistik ist der ermittelte Vorspanndruckwert vertrauenswürdiger
da statistische Fehler in den Messungen an Gewicht verlieren.
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Eine
besonders einfache Methode zum Errechnen eines Vorspanndrucks aus
zumindest zwei Vorspanndruckwerten ist die Mittelwertbildung. Durch
eine Mittelung wird ein in der Regel besonders vertrauenswürdiges
Ergebnis erzielt, da auch hier statistische Fehler in den Messungen
an Gewicht verlieren. Dies ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn
die Ermittlung der Vorspanndruckwerte mittels unterschiedlicher
Verfahren erfolgt.
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Eine
Messung des Drucks der in den Druckspeicher im Zuge des Füllvorgangs
geförderten Flüssigkeit hat den Vorteil, dass
eine einfache Ermittlung des Vorspanndrucks aus dem zeitlichen Verlauf
des Drucks möglich ist.
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Um
einen Druck, welcher zumindest näherungsweise gleich dem
Vorspanndruck ist, während des Füllvorgangs zu
messen, ohne unnötige Druckmessungen vorzunehmen, ist es
vorteilhaft, einen dazu geeigneten bestimmten Zeitpunkt nach Beginn des
Füllvorgangs zu wählen. Hierzu wird zumindest näherungsweise
der Zeitpunkt gewählt, bei dem der zweite Anstieg in den
dritten Anstieg übergeht, da der Flüssigkeitsdruck
zu diesem Zeitpunkt zumindest näherungsweise gleich dem
Vorspanndruck ist. Für ein bekanntes hydraulisches System
ist ein solcher Zeitpunkt z. B. empirisch bestimmbar.
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Der
Druckanstieg in der während des Füllvorgangs des
Flüssigkeitsspeichers des Druckspeichers geförderten
Flüssigkeit wird vorteilhafterweise durch zu verschiedenen
Zeitpunkten gemessene Druckwerte bestimmt. Aus den Druckwerten und
den Zeitpunkten, zu denen sie gemessen werden, wird der Druckanstieg
als Druckänderung pro Zeitintervall zu verschiedenen Zeitpunkten
von der Recheneinheit errechnet. Dazu wird für einen Druckanstiegsbereich
von der Recheneinheit beispielsweise eine Regressionsgerade erstellt.
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Mehrfache
Messungen und das Abspeichern von mehreren Messdaten werden vermieden,
indem die Messungen zur Ermittlung des Druckanstiegs lediglich in
einem Zeitintervall stattfinden, indem der zweite Anstieg in den
dritten Anstieg übergeht. Eine Beschränkung auf
ein solches Zeitintervall ist ausreichend, da lediglich in dem Zeitintervall,
in dem der zweite Druckanstieg in den dritten Druckanstieg übergeht,
ein Flüssigkeitsdruck zu messen ist, der zumindest näherungsweise
dem Vorspanndruck gleich ist. Die zeitliche Lage eines solchen Zeitintervalls
wird beispielsweise wiederum ausgehend von dem Systemstart festgelegt.
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Derjenige
gemessene Druckwert, der dem Übergang des zweiten Druckanstiegs
in den dritten Druckanstieg am nächsten ist, wird vorteilhafterweise mit
einem zweiten Vorspanndruckwert gleichgesetzt. Dieser Druckwert
beim Übergang vom zweiten Druckanstieg zum dritten Druckanstieg
ist zumindest näherungsweise gleich dem Vorspanndruck.
Diesen Druck mit einem zweiten Vorspanndruckwert gleichzusetzen
hat den Vorteil, dass dadurch eine einfache Ermittlung des Vorspanndrucks
realisiert wird. Die Ermittlung der Druckanstiege kann z. B. durch
Differenzwertbildung aufeinanderfolgender Druckwerte erfolgen.
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Eine
Messung des Drucks der aus dem Druckspeicher im Zuge des Entleervorgangs
entnommenen Flüssigkeit hat den Vorteil, dass auch beim
Abschalten eine einfache Ermittlung des Vorspanndrucks möglich
ist.
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Um
einen Druckabfall zu ermitteln, ist es vorteilhaft, zu verschiedenen
Zeitpunkten den Druck zu messen und aus den Druckmessungen den Druckabfall
zu berechnen.
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Wird
der Druckabfall lediglich in einem Zeitintervall gemessen, in dem
der Druckabfall von einem ersten Druckabfall in einen zweiten Druckabfall wechselt,
so werden unnötige Druckmessungen und das Abspeichern der überflüssigen
Druckwerte vermieden.
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Derjenige
Druckwert, der dem Übergang vom ersten Druckabfall in den
zweiten Druckabfall am nächsten liegt, ist zumindest näherungsweise gleich
dem Vorspanndruck. Das Gleichsetzen dieses Drucks mit einem dritten
Vorspanndruckwert hat den Vorteil, dass dieser eine einfache Ermittlung
des Vorspanndrucks ermöglicht. Auch die Berechnung des ersten
und des zweiten Druckabfalls erfolgt z. B. durch Differenzwertbildung
aufeinanderfolgender Druckwerte.
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Der
Vorspanndruck des Druckspeichers kann auch während des
Betriebs ermittelt werden, während Flüssigkeit
in den Druckspeicher gefördert oder aus diesem entnommen
wird. Während des Betriebs sind Gasdruck und Flüssigkeitsdruck
im Gleichgewicht und somit stets einander gleich. Durch das Ändern
des Flüssigkeitsvolumens im Druckspeicher wird potentielle
Energie gespeichert oder zurückgewonnen. Um den Vorspanndruck
während des Betriebs zu ermitteln, ist es vorteilhaft den
Druckwert der Flüssigkeit im Druckspeicher während
des Betriebs zu messen.
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Durch
das Messen mehrerer Druckwerte zu jeweils verschiedenen im Druckspeicher
vorhandenen Flüssigkeitsvolumina während des Betriebs
wird die Abhängigkeit des Speicherdrucks von dem im Druckspeicher
vorhandenen Flüssigkeitsvolumen bzw. dem zugeführten
und abgeführten Volumen ermittelt. Mit Hilfe dieser ermittelten
Abhängigkeit lässt sich ein Vorspanndruckwert
ermitteln.
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Um
das tatsächlich im Druckspeicher befindliche Flüssigkeitsvolumen
zu ermitteln, ist es vorteilhaft, das in den Druckspeicher geförderte
oder von diesem abgeflossene Flüssigkeitsvolumen zu bestimmen.
Um dieses zu bestimmen, können von dem den Druckspeicher
nutzenden hydraulischen System Informationen wie beispielsweise
eine Pumpendrehzahl, eine Förderrichtung und/oder ein eingestelltes Verdrängungsvolumen
verwendet werden.
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Es
ist auch vorteilhaft, für eine präzise Bestimmung
des in den Druckspeicher geförderten oder aus diesem abgeflossenen
Flüssigkeitsvolumens neben Pumpendrehzahl, Förderrichtung
und/oder eingestelltes Verdrängungsvolumen des den Druckspeicher
nutzenden hydraulischen Systems auch dessen volumetrischen Wirkungsgrad
zu verwenden. Dadurch werden Flüssigkeitsverluste mitberücksichtigt. Alternativ
kann auch ein Durchflussmesser zwischen der Pumpe und dem Speicher
eingesetzt werden.
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Über
die ermittelte Abhängigkeit des Speicherdrucks von dem
im Druckspeicher vorhandenen Flüssigkeitsvolumen lässt
sich ein vierter Vorspanndruckwert ermitteln, da die Abhängigkeit
ihrerseits vom Vorspanndruck des Druckspeichers eindeutig abhängt.
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Zur
Ermittlung des vierten Vorspanndruckwerts aus der Änderung
des Flüssigkeitsdrucks in Abhängigkeit von dem
in dem Druckspeicher befindlichen Flüssigkeits- bzw. Gasvolumen
wird zumindest eine Kennlinie verwendet, die die Änderung
des Flüssigkeitsdrucks in Abhängigkeit von dem
in dem Druckspeicher befindlichen Flüssigkeits- bzw. Gasvolumen
für einen bestimmten Vorspanndruck definiert. Mit Hilfe
der gemessenen Drücke oder einer aus den gemessenen Drücken
erstellten Kennlinie und der für einen bestimmten Vorspanndruck
definierten Kennlinie wird ein zu den gemessenen Druckwerten gehöriger
Vorspanndruckwert ermittelt.
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Da,
wie bereits erwähnt, der reale Vorspanndruck des Druckspeichers
von der Temperatur des Gases im Druckspeicher abhängt,
wird ein Toleranzbereich, der z. B. von der Temperatur abhängt,
bestimmt. Zur Bestimmung des Toleranzbereichs ist eine zumindest
näherungsweise Ermittlung der Gastemperatur im Druckspeicher
vorteilhaft. Das Ermitteln der Temperatur der Flüssigkeit
im Flüssigkeitsspeichervolumen und/oder der Außentemperatur
ist auch hier jeweils von Vorteil. Die Gastemperatur im Druckspeicher
liegt in der Regel zwischen der Flüssigkeitstemperatur
als oberer Grenze und der in der Regel geringeren Außentemperatur
als Untergrenze. Die als Funktion beider Grenzwerte zu erwartende Gastemperatur
wird von der Recheneinheit berechnet. Mit der realistischen Gastemperaturabschätzung wird
eine direkte Gastemperaturmessung umgangen. Mit Hilfe des Toleranzbereichs
lässt sich eine Bewertung durchführen, ob der
ermittelte Vorspanndruck noch akzeptabel ist.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur zumindest näherungsweisen Ermittlung eines
Vorspanndrucks eines hydropneumatischen Speichers ist in der Zeichnung dargestellt
und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
stark vereinfachten Schaltplan eines einen hydropneumatischen Druckspeicher
nutzenden hydraulischen Systems,
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2 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des Toleranzbereichs,
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3 ein
Diagramm einer Druckkurve während eines Füllvorgangs
eines hydropneumatischen Druckspeichers mit hydraulischer Flüssigkeit,
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4 ein
Diagramm einer Druckkurve während eines Entleervorgangs
eines hydropneumatischen Druckspeichers von hydraulischer Flüssigkeit,
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5 ein
Diagramm der Abhängigkeit des Drucks in einem hydropneumatischen
Druckspeicher von dem in dem hydropneumatischen Druckspeicher befindlichen
Flüssigkeitsvolumens während des Betriebs des
hydropneumatischen Druckspeichers, und
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6 schematische Darstellung zum Ablauf des
Verfahrens
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Die 1 zeigt
ein hydraulisches System 100, welches einen hydropneumatischen
Druckspeicher 1, eine hydraulische Verbindung 5,
eine in ihrem Fördervolumen und ihrer Förderrichtung
verstellbare Hydropumpe 6 und eine Messeinrichtung 7 umfasst. Der
hydropneumatische Druckspeicher 1 umfasst einen Gasspeicherraum 2 und
einen Flüssigkeitsspeicherraum 4. Beide Räume
sind durch ein Trennelement 3 voneinander getrennt, so
dass sich jedoch die beiden Teilvolumina hinsichtlich ihres Anteils
am Gesamtvolumen des Speichers ändern können.
Dieses Trennelement 3 ist vorzugsweise als elastisches Trennelement 3 ausgebildet.
Für andere Druckspeicher können beispielsweise
aber auch verschiebbare Kolben als Trennelemente verwendet werden.
Elastische Trennelemente 3 können über
z. B. ein Gitternetz in ihrer maximalen Ausdehnung bzw. Ausdehnbarkeit
begrenzt sein und so das maximale Gasspeichervolumen konstruktiv
begrenzen. Das Flüssigkeitsvolumen 4 ist über
die hydraulische Verbindung 5 mit der verstellbaren Hydropumpe 6 verbunden. Die
Hydropumpe 6 ist mit einem Tank 600 verbunden.
Die verstellbare Hydropumpe 6 kann je nach eingestellter
Förderrichtung Flüssigkeit in das Flüssigkeitsvolumen 4 fördern
oder aus diesem entnehmen. Der Druck im Flüssigkeitsvolumen 4 steigt
mit der enthaltenen Flüssigkeitsmenge auf Grund der gleichzeitigen
Kompression des Gases in dem Gasspeichervolumen 2. Mit
einer Messapparatur 70 wird der Flüssigkeitsdruck,
welcher in dem Flüssigkeitsspeicher 4 herrscht
in der hydraulischen Verbindung 5 gemessen. Somit wird
eine Druckmessung innerhalb des Druckspeichers 1 oder am
Druckspeicher 1 selbst vermieden. Es können deshalb
Druckspeicher verwendet werden, welche keine Drucksensoren aufweisen
und die entsprechend kostengünstiger sind. Für
die Druckmessung wird von der Messapparatur 70 ein erster
Drucksensor 7 verwendet. Darüber hinaus umfasst
die Messapparatur 70 ein erstes Thermometer 9 und
ein zweites Thermometer 9'. Mit dem ersten Thermometer 9 wird
die Temperatur der Flüssigkeit in der hydraulischen Verbindung 5 erfasst
und mit dem zweiten Thermometer 9' die Außentemperatur
des hydrostatischen Systems 100. Drucksensor 7,
erstes Thermometer 9 und zweites Thermometer 9' sind
jeweils mit einer Recheneinheit 8 verbunden, welche die
Messdaten empfängt und auswertet.
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In 2 ist
ein Vorspanndruckdiagramm 10 dargestellt. Das Vorspanndruckdiagramm
weist eine Druckachse 11 und eine Zeitachse 12 auf.
In dem Vorspanndruckdiagramm 10 ist ein Vorspandruck 13 dargestellt,
der einem Sollwert bei Normbedingungen (20°C) entspricht.
Im Vorspanndruckdiagramm 10 sind ein erster Toleranzbereich 14 und
eine zweiter Toleranzbereich 15 dargestellt. Dieser Toleranzbereich 14, 15 wird
zur Bewertung des ermittelten Vorspanndrucks verwendet. Überschreitet
der ermittelte Vorspanndruck die untere Grenze z. B. des ersten Toleranzbereichs 14,
so wird der Druckspeicher 1 als in Ordnung befunden. Dabei
können verschiedene Toleranzbereiche 14, 15 betrachtet
werden, innerhalb derer jeweils der tatsächliche Vorspanndruck 13,
z. B. bei unterschiedlichen Temperaturen, liegen soll. Jeder Toleranzbereich 14, 15 hängt
z. B. von der Gas- und/oder Außentemperatur ab. Weitere
Parameter wie z. B. die Temperatur des Druckmittels können
ebenfalls berücksichtigt werden.
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Vor
Inbetriebnahme des hydraulischen Systems 100 beinhaltet
das Flüssigkeitsvolumen keine Flüssigkeit. Bei
Inbetriebnahme des hydraulischen Systems 100 wird dem Flüssigkeitsvolumen 4 Druckmittel
zugeführt. Der Druck der in das Flüssigkeitsvolumen
geförderten Flüssigkeit steigt dabei an.
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Der
Flüssigkeitsdruckverlauf im Druckspeicher 1 während
des Füllvorgangs, der dem gemessenen der Verbindung 5 entspricht,
ist in der 3 dargestellt. Zur Darstellung
werden eine Druckachse 17 und eine Zeitachse 18 verwendet.
Zu Beginn des Füllvorgangs ist der Flüssigkeitsdruck
gering, nahe einem Tankdruck und liegt unter dem Vorspanndruck 13 des
Druckspeichers 1. Zu Beginn des Füllvorgangs nähert
sich der Flüssigkeitsdruck dem Vorspanndruck an. In einem
ersten Druckanstiegbereich 21, z. B. während des
Anlaufens der Pumpe 6, steigt der Flüssigkeitsdruck
lediglich flach an. Der hierbei auftretende erste Druckanstieg 24 ist
dabei zumindest näherungsweise linear. In einem darauffolgenden
steilen, zweiten Druckanstiegbereich 22 steigt der Flüssigkeitsdruck
wesentlich rascher an und weist einen zumindest näherungsweise
linearen zweiten Druckanstieg 25 auf. Am Ende des zweiten Druckanstiegbereichs 22 erreicht
der Flüssigkeitsdruck den tatsächlichen Vorspanndruck 13.
Messwerte, welche jeweils zumindest näherungsweise gleich
dem Vorspanndruck sind, sind in der 3 beispielhaft
durch die Messpunkte 28, und 27 dargestellt. Flüssigkeitsdruck
und Gasdruck sind dann einander gleich und gleich dem Vorspanndruck.
Eine Volumenverringerung des Gasspeichervolumens ist noch nicht
erfolgt.
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Wird
daraufhin weiter Flüssigkeit in den Druckspeicher 1 gefördert,
so steigen in einem dritten Druckanstiegbereich 23 jeweils
der Flüssigkeitsdruck im Flüssigkeitsspeichervolumen 4 und
der Gasdruck im Gasspeichervolumen 2 an. Das weitere Befüllen des
Flüssigkeitsspeichervolumens bewirkt gleichzeitig eine Verringerung
des Volumens der Gasfüllung. Dabei sind beide Drücke
einander gleich und jeweils höher als der Vorspanndruck.
Zu Beginn des dritten Druckanstiegbereichs 23 ist der auftretende
dritte Druckanstieg 26 zumindest näherungsweise
linear.
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Die
Druckkurve des Füllvorgangs wird aus mehreren Druckmesswerten 20,
welche jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden, ermittelt.
Die Druckanstiege 24, 25, 26 werden in
den jeweiligen Druckanstiegbereichen 21, 22, 23 durch
lineare Regression zumindest näherungsweise ermittelt.
Der Schnitt zwischen zweitem Druckanstieg 22 und drittem
Druckanstieg 23 stellt einen Punkt im Füllvorgang-Diagramm 16 dar,
dessen zugeordneter Druckwert zumindest näherungsweise
gleich dem Vorspandruck 13 ist. Dieser errechnete Druckwert wird
mit einem zweiten Vorspanndruckwert gleichgesetzt. Alternativ kann
auch der dem Übergang nächstliegende gemessene
Druckwert gleich dem Vorspanndruckwert gesetzt werden.
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Weiter
alternativ kann ein dem Vorspanndruck 13 zumindest nährungsweise
gleicher Druckwert ermittelt werden, indem zu einem geeigneten bestimmten
Zeitpunkt 27t während des Füllvorgangs der
Flüssigkeitsdruck gemessen wird. Ein geeigneter bestimmter
Zeitpunkt 27t ist ein solcher, an dem der Flüssigkeitsdruck
und der Gasdruck jeweils zumindest näherungsweise gleich
dem Vorspanndruck 13 sind. Da in der Regel vor der Druckmessung
der geeignete bestimmte Zeitpunkt 27t und der Vorspanndruck 13 nicht
genau bekannt sind, wird der bestimmte Zeitpunkt 27t aus
einer für ein bekanntes System erwarteten Druckkurve 24, 25, 26 ermittelt
oder empirisch festgelegt. Der dann während des Füllvorgangs
zu dem Zeitpunkt 27t gemessene Druckwert wird dem ersten
Vorspanndruckwert gleichgesetzt.
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Beim
Ausschalten des hydraulischen Systems 100, wird der Druckspeicher 1 durch
einen Entleervorgang wieder entleert. Zu Beginn des Entleervorgangs
enthält das Flüssigkeitsspeichervolumen 4 hydraulische
Flüssigkeit. Dabei sind der Gasdruck und der Flüssigkeitsdruck
einander gleich und zunächst höher als der Vorspanndruck.
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4 zeigt
ein Entleervorgangs-Diagramm 29. Für das Diagramm
werden ebenfalls eine Druckachse 30 und eine Zeitachse 31 verwendet.
Nähert sich der Flüssigkeitsdruck beim Entleervorgang
dem Vorspanndruck 13 an, so fällt der Druck zumindest
in der Nähe des Vorspanndrucks 13 in einem ersten Druckabfallbereich 33 näherungsweise
linear mit einem ersten Druckabfall 36 ab, bis dieser den
Vorspanndruck 13 erreicht. Unterschreitet der Flüssigkeitsdruck
den Vorspanndruck 13, so fällt dieser in einem
zweiten Druckabfallbereich 34 mit einem zweiten Druckabfall 37 bis
zu einem geringen Restdruck ab. Von diesem an, fällt der
Druck in einem dritten Druckabfallbereich 35 mit einem
flachen dritten Druckabfall 38 ab.
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Die
Druckkurve des Entleervorgangs wird aus mehreren Druckmesswerten 20' ermittelt.
Die Druckmesswerte 20' werden jeweils zu verschiedenen
Zeitpunkten gemessen. Die Druckabfälle 36, 37, 38 werden
in den jeweiligen Druckabfallbereichen 33, 34, 35 durch
lineare Regression zumindest näherungsweise ermittelt.
Der Schnittpunkt zwischen dem erstem Druckabfall 36 und
dem zweitem Druckabfall 37 stellt einen Punkt im Entleervorgang-Diagramm 29 dar,
dessen errechneter Druckwert gleich dem zu ermittelnden Vorspandruck 13 ist.
Dieser ermittelte Druckwert wird mit einem dritten Vorspanndruckwert gleichgesetzt.
Alternativ kann auch hier der dem Übergang nächstliegende
gemessene Druckwert dem dritten Vorspanndruckwert gleichgesetzt
werden.
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Ein
Vorspanndruckwert lässt sich auch während des
Betriebs des hydraulischen Systems 100 ermitteln. Während
des Betriebs ist der Druckspeicher 1 stets derart mit Flüssigkeit
gefüllt, dass der Gasdruck und der Flüssigkeitsdruck
im Druckspeicher 1 einander gleich und jeweils nicht geringer
als der Vorspanndruck sind, sofern ein vollständiges Entleeren des
Druckspeichers 1 verhindert wird. Im Betrieb wird der Flüssigkeitsdruck
im Druckspeicher 1 zu verschiedenen Zeitpunkten erhöht
oder erniedrigt, indem Druckmittel zugeführt oder abgeführt
wird. Der Flüssigkeitsdruck im Druckspeicher 1 hängt
von dem im Druckspeicher 1 befindlichen Flüssigkeitsvolumen ab.
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Der
Zusammenhang zwischen Gasvolumen und Gasdruck im Druckspeicher 1 ist
durch einen Polytropenexponenten der Adiabatengleichung bestimmt
und schematisch in der 5 im Diagramm 40 für
zwei verschiedene Vorspanndrücke 43, 44 dargestellt.
Die Druckachse 41 stellt den Druckspeicherdruck dar, welcher
gleich dem Gas- und dem Flüssigkeitsdruck in Druckspeicher 1 ist.
Die Volumenachse 42 stellt das Gasvolumen im Druckspeicher 1 dar. Der
Druckspeicher 1 weist ein begrenztes Gesamtinnenvolumen
auf. Dieses Gesamtinnenvolumen ist in ein Gasspeichervolumen 2 veränderlicher
Größe und ein durch das Trennelement 3 von
diesem getrenntes Flüssigkeitsspeichervolumen 4 ebenfalls
veränderlicher Größe, wie in 1 dargestellt,
aufgeteilt. Vergrößert sich eines der beiden Volumina,
verkleinert sich das jeweils andere um den gleichen Betrag. Im Druckspeicher 1 entspricht
bei Druckgleichgewicht zwischen Gas und Flüssigkeit, wie
es während des Betriebs der Fall ist, einem Flüssigkeitsvolumen
genau eine Gasvolumen und umgekehrt einem Gasvolumen genau ein Flüssigkeitsvolumen.
Dadurch ist bei Druckgleichgewicht das Gasvolumen bekannt, wenn
das Flüssigkeitsvolumen im Druckspeicher 1 bekannt
ist. Die Druckachse 42 stellt somit indirekt auch das Flüssigkeitsvolumen
im Druckspeicher dar. Da während des Betriebs im Druckspeicher 1 Druckgleichgewicht
zwischen Gas- und Flüssigkeitsdruck herrscht, ist der dargestellte
Druck gleich dem Flüssigkeitsdruck. Der Gasdruck wird indirekt über
den Flüssigkeitsdruck gemessen. Das Gasvolumen ergibt sich
direkt aus dem Flüssigkeitsvolumen im Druckspeicher 1 durch
Subtraktion des Flüssigkeitsvolumens im Druckspeicher vom
Gesamtinnenvolumen des Druckspeichers 1. Das zu einem Zeitpunkt in
dem Flüssigkeitsspeichervolumen 2 im Druckspeicher 1 befindliche
Flüssigkeitsvolumen wird unter Verwendung von Information
zum hydraulischen System 100 oder dessen Betrieb ermittelt.
Dazu werden z. B. Drehzahl der Hydropumpe 6, Förderrichtung,
Hubvolumen und/oder ein volumetrischer Wirkungsgrad für
das hydraulische System zur Bestimmung einer Volumenänderung
verwendet. Mit einer Integration über die Zeit wird aus
der im allgemeinen zeitabhängigen Förderleistung
des Systems das in den Druckspeicher 1 geförderte
oder aus ihm entnommene Flüssigkeitsvolumen ermittelt.
Dazu wird beispielsweise die Recheneinheit 8 verwendet.
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5 zeigt
den Zusammenhang zwischen Gasdruck und Gasvolumen im Druckspeicher 1 für zwei
verschiedene Vorspanndrücke 43, 44 an.
Wird das Gas komprimiert, so steigt der Gasdruck entsprechend der
Adiabatengleichung, da der Prozess zumindest annähernd
adiabat abläuft. Wird von einem höheren Gasvolumen 46 mit
einem höheren Vorspanndruck 43 ausgegangen, so
wird entsprechend der ersten adiabaten Kennlinie 47 ein
hoher Betriebsdruck 45 mit einem ersten Betriebsvolumen 48 erreicht.
Der hohe Betriebsdruck 45 wird somit durch Komprimieren
des Gases um eine erste Volumendifferenz 49 erreicht. Wird
im Gegensatz dazu von einem niedrigeren Volumen 50 mit
einem niedrigeren Vorspanndruck 44 ausgegangen, so wird über
die zweite adiabate Kennlinie 51 ein hoher Betriebsdruck 45 mit
einem zweiten Betriebsvolumen 52 erreicht. Der hohe Betriebsdruck 45 wird
in diesem Fall durch Komprimieren des Gases um eine zweite Volumendifferenz 53 erreicht.
Jede Kennlinie ist charakteristisch für genau einen Vorspanndruck.
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Mit
Druckwerten aus Messungen des Flüssigkeitsdrucks in Abhängigkeit
von dem im Flüssigkeitsspeichervolumen 4 befindlichen
Flüssigkeitsvolumen während des Betriebs, wird
eine für den während des Betriebs vorliegenden
Vorspanndrucks gegebene adiabate Kennlinie ermittelt. Die aus den Messungen
ermittelte adiabate Kennlinie wird mit zumindest einer gespeicherten
Kennlinie, z. B. 47, 51, verglichen, um den während
des Betriebs vorliegenden Vorspanndrucks zu ermitteln. Der zugeordnete Vorspanndruck
der Kennlinie mit der größten Übereinstimmung
mit der aus den Messungen ermittelten adiabaten Druckkurve wird
mit einem vierten Vorspanndruckwert gleichgesetzt.
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Es
können vorteilhaft mehrere der auch auf die unterschiedlichen
Methoden ermittelten Vorspanndruckwerte zu einem Vorspanndruck,
z. B. durch Mittelung, zusammengefasst werden.
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In
der 6 ist noch einmal schematisch
der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Zunächst wird in Schritt S1 das hydraulische System gestartet.
Infolgedessen kommt es in Schritt 2 zu einem Befüllen des
Druckspeichers 1.
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Zur
Feststellung des Vorspanndrucks kann entweder gemäß Schritt
S3 ein einzelner Druckwert zu einem definierten Zeitpunkt nach dem
Systemstart gemessen werden. Dieser gemessene Druckwert wird mit
einem Vorspanndruckwert in Schritt S4 gleichgesetzt. Alternativ
dazu wird der Vorspanndruckwert ermittelt, indem zunächst
mehrere Druckwerte während des Füllvorgangs gemessen
werden (S5). Aus diesen mehreren gemessenen Druckwerten wird ein
zweiter Druckanstieg und ein dritter Druckanstieg ermittelt (S6).
Wie es bereits ausführlich erläutert wurde, ist
der Schnittpunkt des zweiten Druckanstiegs mit dem dritten Druckanstieg
gleich dem zu ermittelnden Vorspanndruck. Dementsprechend wird in
Schritt S7 der Übergang zwischen dem zweiten und dem dritten
Druckanstieg ermittelt.
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Somit
ist nunmehr ein Vorspanndruckwert während des Systemstarts
ermittelt worden. Während des weiteren Betriebs, in dem
zyklisch der Druckspeicher 1 befüllt oder Druckmittel
aus ihm entnommen wird, wird ebenfalls ein Vorspanndruckwert bestimmt.
So wird in Schritt S8 während der Speicherung von Druckenergie
oder der Entnahme von Energie aus dem Druckspeicher 1 zeitlich
aufgelöst der in dem Speicher herrschende Druck bestimmt.
Anschließend wird aus den aufgenommenen Druckmesswerten
sowie der ermittelten Volumenänderung eine Adiabatenkennlinie
ermittelt (S9). Diese Adiabatenkennlinie wird mit bekannten Adiabatenkennlinien,
die für jeweils einen Vorspanndruckwert charakteristisch
sind, in Schritt S10 ermittelt. Dadurch wird der tatsächlich
aufgenommenen Kennlinie ein bestimmter Vorspanndruckwert zugeordnet.
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Ein
weiterer Vorspanndruckwert wird beim Leeren des Speichers 1 bestimmt.
Hierzu wird das Druckmittel aus dem Druckspeicher 1 vollständig
abgeführt (S11). Dabei werden mehrere Druckwerte zeitaufgelöst
gemessen (S12). Aus diesen zeitaufgelöst gemessenen Druckwerten
wird ein erster und ein zweiter Druckabfall ermittelt (S13), so
dass in Schritt S14 der Übergang zwischen dem ersten und
dem zweiten Druckabfall ermittelt werden kann und somit ein weiterer
Vorspanndruckwert bestimmt werden kann (S15).
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Bei
dem dargestellten Verfahrensablauf wird auf zumindest drei unterschiedliche
Weisen jeweils ein Vorspanndruckwert ermittelt. Abschließend
wird aus den so ermittelten Vorspanndruckwerten beispielsweise durch
Mittelung ein Vorspanndruck ermittelt (S15). Dieser ermittelte Vorspanndruck
wird mit einem Toleranzbereich verglichen und somit festgestellt,
ob der Druckspeicher 1 bereits als defekt zu werten ist
oder das Gasvolumen zumindest wieder aufgefüllt werden
muss.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich vorteilhafterweise
z. B. Undichtigkeiten von hydropneumatischen Druckspeichern erkennen.
Ein Sensorikeinsatz innerhalb des Druckspeichers 1 oder
am Druckspeicher 1 kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren vermieden werden. Dadurch können hydraulische
Systeme, welche das erfindungsgemäße Verfahren
anwenden, auch kostengünstige hydropneumatische Druckspeicher
verwenden, welche selbst keine Strukturen zur Aufnahme von Messgeräten
oder Messvorrichtungen aufweisen. Den hydraulischen Systemen ist
durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erlaubt eine größere und/oder kostengünstige
Auswahl an hydropneumatischen Druckspeichern nutzen zu können.
Solche Systeme können beispielsweise hydraulische Hybridantriebe
sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr sind auch einzelne Merkmale der Ausführungsbeispiele vorteilhaft
miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004055249
A1 [0003]